JP2007110827A - Inverter device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、整流手段の出力端子に著しく小容量のコンデンサ、リアクタで構成される平滑手段を接続し出力電圧が交流電源周波数の2倍周波で大きく脈動するようなインバータ装置において、電動機に流れる電流の歪みを抑制し、より円滑に電動機を駆動することを目的とする。 The present invention relates to a current flowing through an electric motor in an inverter device in which a smoothing means composed of an extremely small capacitor and reactor is connected to the output terminal of the rectifying means and the output voltage pulsates greatly at twice the frequency of the AC power supply frequency. The purpose is to suppress the distortion of the motor and drive the motor more smoothly.
従来、電流指令値により電圧指令値の補償量(振幅)を算出する電圧指令補償手段を有したインバータ装置では、コスト削減・小型化のために出力電圧が交流電源周波数の2倍周波で大きく脈動するような平滑手段を用いた場合、電動機の電流歪みを十分抑制することが出来ない。 Conventionally, in an inverter device having a voltage command compensation means for calculating a compensation amount (amplitude) of a voltage command value based on a current command value, the output voltage pulsates greatly at a frequency twice the AC power supply frequency for cost reduction and miniaturization. When such a smoothing means is used, the current distortion of the electric motor cannot be sufficiently suppressed.
図6は、従来のインバータ装置の電圧指令補償機能を有するインバータ装置のブロック図を示したものである。一般的には電流指令値により電圧指令値(振幅)の補償を行いインバータ装置を動作させる(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、前記従来の構成によるインバータ装置の駆動では、出力電圧が交流電源周波数の2倍周波で大きく脈動するような平滑手段を用いた場合、脈動電圧による電動機5の位相演算誤差が生じ、電動機5の電流歪みを十分抑制することが出来ないという課題を有していた。 However, in the driving of the inverter device having the above-described conventional configuration, when smoothing means is used such that the output voltage pulsates greatly at twice the frequency of the AC power supply frequency, a phase calculation error of the electric motor 5 due to the pulsating voltage occurs, and the electric motor 5 There is a problem that current distortion of the current cannot be sufficiently suppressed.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、出力電圧が大きく脈動する平滑手段を用いながら、電動機の電流歪みを抑制するインバータ装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide an inverter device that suppresses current distortion of an electric motor while using a smoothing means that pulsates with a large output voltage.
前記従来の課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、交流電源を整流する整流手段と、前記整流手段からの出力電圧が脈動する平滑手段と、前記電動機の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出値に基づき前記電動機の回転位相を演算する位相演算手段と、指示回転数と前記位相演算手段から演算される実回転数より電流指令値を演算する電流指令演算手段と、前記電流指令値と前記電流検出手段の検出値とに基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算手段と、前記電動機の極対数と電動機回転数の積を整数倍した周波数信号を、前記電圧指令値に重畳させる電圧指令補償手段とを備えたことを特徴とするもので、これにより平滑手段からの出力電圧が交流電源周波数の2倍周波で大きく脈動するインバータ装置において、脈動電圧による位相演算誤差を含めた電圧指令補償を行なうことで、電動機の電流歪みを抑制した滑らかな電動機駆動を実現できる。 In order to solve the conventional problems, an inverter device according to the present invention includes a rectifier that rectifies an AC power supply, a smoother that pulsates an output voltage from the rectifier, and a current detector that detects a current of the motor. Phase calculating means for calculating the rotational phase of the electric motor based on the detection value of the current detecting means, and current command calculating means for calculating a current command value from the indicated rotational speed and the actual rotational speed calculated from the phase calculating means Voltage command calculation means for calculating a voltage command value based on the current command value and the detection value of the current detection means, and a frequency signal obtained by multiplying the product of the number of pole pairs of the motor and the motor rotation number by an integer. An inverter device characterized by comprising voltage command compensation means for superimposing on a command value, whereby the output voltage from the smoothing means pulsates greatly at twice the frequency of the AC power supply frequency Oite, by performing the voltage command compensation, including the phase calculation errors due to pulsation voltage can achieve smooth motor drive which suppresses current distortion of the electric motor.
本発明によれば、平滑手段の出力電圧脈動に関わらず電動機の電流歪みの抑制を実現することが出来るインバータ装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the inverter apparatus which can implement | achieve suppression of the electric current distortion of an electric motor irrespective of the output voltage pulsation of a smoothing means can be provided.
第1の発明は、交流電源を整流する整流手段と、前記整流手段からの出力電圧が脈動する平滑手段と、前記電動機の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出値に基づき前記電動機の回転位相を演算する位相演算手段と、指示回転数と前記位相演算手
段から演算される実回転数より電流指令値を演算する電流指令演算手段と、前記電流指令値と前記電流検出手段の検出値とに基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算手段と、前記電動機の極対数と電動機回転数の積を整数倍した周波数信号を、前記電圧指令値に重畳させる電圧指令補償手段とを備えたことを特徴とするもので、これにより平滑手段からの出力電圧が交流電源周波数の2倍周波で大きく脈動するインバータ装置において、脈動電圧による位相演算誤差を含めた電圧指令補償を行なうことで、電動機の電流歪みを抑制した滑らかな電動機駆動を実現できる。
The first invention is based on a rectifying means for rectifying an AC power supply, a smoothing means for pulsating an output voltage from the rectifying means, a current detecting means for detecting a current of the electric motor, and a detection value of the current detecting means. Phase calculation means for calculating the rotation phase of the electric motor, current command calculation means for calculating a current command value from the indicated rotation speed and the actual rotation speed calculated from the phase calculation means, the current command value and the current detection means Voltage command calculation means for calculating a voltage command value based on the detected value, and voltage command compensation means for superimposing a frequency signal obtained by multiplying a product of the number of pole pairs of the motor and the motor rotation number by an integer on the voltage command value. In the inverter device in which the output voltage from the smoothing means pulsates greatly at twice the frequency of the AC power supply frequency, a phase calculation error due to the pulsating voltage is included. By performing the pressure command compensation can be achieved a smooth motor drive which suppresses current distortion of the electric motor.
第2の発明は、第1の発明のインバータ装置において、電圧指令補償手段は、電圧指令値に重畳させる信号の振幅、位相の少なくとも一方を調整できることを特徴とするもので、脈動電圧により位相演算誤差が生じた場合においても、電圧指令補償により電動機の電流歪みの抑制を実現することが出来る。 According to a second invention, in the inverter device of the first invention, the voltage command compensation means is capable of adjusting at least one of an amplitude and a phase of a signal to be superimposed on the voltage command value. Even when an error occurs, the current distortion of the motor can be suppressed by voltage command compensation.
第3の発明は、第1または第2の発明のインバータ装置において電圧指令補償手段は、電動機の回転数、電流検出値、電流指令値の少なくとも1つの変化に伴い、電圧指令値に重畳させる信号の振幅、位相の少なくとも一方を調整することを特徴とするもので、脈動電圧により位相演算誤差が生じた場合においても、誤差程度に応じた電圧指令補償により電動機の電流歪みの抑制を実現することが出来る。 According to a third invention, in the inverter device of the first or second invention, the voltage command compensation means is a signal to be superimposed on the voltage command value in accordance with at least one change in the rotational speed of the motor, the detected current value, and the current command value. It is characterized in that at least one of the amplitude and phase of the motor is adjusted, and even when a phase calculation error occurs due to a pulsating voltage, the current distortion of the motor can be suppressed by voltage command compensation according to the error level. I can do it.
第4の発明は、第1から第3のいずれかのインバータ装置において、平滑手段より出力される脈動電圧位相を算出する電圧位相演算手段を備え、前記電圧指令補償手段は、該電圧位相値に基づき電圧指令値へ重畳させる信号の振幅、位相の少なくとも一方を可変させることを特徴とするもので、脈動電圧による位相演算誤差に応じて電圧指令への補償信号の振幅・位相を調整することが可能になり、電動機の電流歪みの抑制を実現することが出来る。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third inverter devices, the inverter includes a voltage phase calculation unit that calculates a pulsating voltage phase output from the smoothing unit, and the voltage command compensation unit sets the voltage phase value to the voltage phase value. It is characterized in that at least one of the amplitude and phase of the signal to be superimposed on the voltage command value is varied, and the amplitude and phase of the compensation signal to the voltage command can be adjusted according to the phase calculation error due to the pulsating voltage It becomes possible, and suppression of current distortion of the electric motor can be realized.
第5の発明は、第1から第4のいずれかのインバータ装置において、電圧指令補償手段は、電動機の極対数と電動機回転数の積を略5倍した周波数信号を電圧指令値へ重畳させることを特徴とするもので、PWMスイッチング制御におけるデッドタイムによる電動機の電流歪みの抑制を実現することが出来る。 According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth inverter devices, the voltage command compensation means superimposes a frequency signal obtained by multiplying the product of the number of pole pairs of the motor and the motor rotation speed on the voltage command value. It is possible to suppress current distortion of the motor due to dead time in PWM switching control.
第6の発明は、第1から第5のいずれかのインバータ装置において、平滑手段は、コンデンサおよびリアクタで構成され、該コンデンサおよびリアクタより求められる共振周波数を、交流電源周波数の40倍以上になるよう設定したことを特徴とするもので、整流手段への入力電流の電源高調波特性の高性能化を実現させることが出来る。 According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth inverter devices, the smoothing means includes a capacitor and a reactor, and a resonance frequency obtained from the capacitor and the reactor is 40 times or more the AC power supply frequency. It is characterized by the above setting, and high performance of the power supply harmonic characteristics of the input current to the rectifying means can be realized.
第7の発明は、第1から第6のいずれかのインバータ装置において、平滑手段を構成するコンデンサに、フィルムコンデンサを用いたことを特徴とするもので、温度による寿命特性への影響を気にせず使用環境を選択することが出来る。 A seventh invention is characterized in that, in any one of the first to sixth inverter devices, a film capacitor is used as a capacitor constituting the smoothing means, and the influence on the life characteristics due to temperature is concerned. You can select the usage environment.
第8の発明は、第1から第7のいずれかのインバータ装置を空気調和機が有するもので、平滑手段を構成するコンデンサおよびリアクタの容量低減による装置サイズの小型化・低コスト化と、電動機の電流歪みを抑制し整流手段への入力電流の電源高調波特性の高性能化を実現させることが出来る。 According to an eighth aspect of the present invention, the air conditioner has any one of the first to seventh inverter devices, and the size and cost of the device can be reduced by reducing the capacity of the condenser and reactor constituting the smoothing means. Therefore, it is possible to realize high performance of the power supply harmonic characteristics of the input current to the rectifying means.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態におけるインバータ装置の制御ブロック図を示したもので
ある。該インバータ装置は、単相交流電源である商用電源などの交流電源1より電力を供給され、供給された交流電源を全波整流するダイオードブリッジで構成された整流手段2と、前記整流手段2からの出力電圧が交流電圧の2倍周波で大きく脈動する平滑手段3と、前記平滑手段3からの出力電圧を電動機5の駆動のために所望の交流電圧に変換する半導体スイッチング素子により構成される直交変換手段4と、電動機5に流れる電流を検出するための電流検出手段6を有している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a control block diagram of an inverter device according to an embodiment of the present invention. The inverter device is supplied with electric power from an
さらに、前記電流検出手段6からの検出値に基づき電動機5の回転位相を演算する位相演算手段7と、外部からの指示回転数と前記位相演算手段7から演算される実回転数より電動機5を駆動するための電流指令値を演算する電流指令演算手段8と、前記電流指令値と電流検出値に基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算手段9と、前記電圧指令値から直交変換手段を駆動する信号を生成するPWM信号発生手段10と、前記平滑手段3より出力される脈動電圧の位相を演算する電圧位相演算手段12と、電動機5の極対数と電動機5の回転数の整数倍した周波数信号の振幅・位相を電流検出値、電動機位相、電流指令値、脈動電圧位相などにより可変させて電圧指令値へ重畳する電圧指令補償手段11を有している。 Further, the phase calculation means 7 for calculating the rotation phase of the electric motor 5 based on the detection value from the current detection means 6, and the electric motor 5 based on the externally indicated rotation speed and the actual rotation speed calculated from the phase calculation means 7. A current command calculating means 8 for calculating a current command value for driving, a voltage command calculating means 9 for calculating a voltage command value based on the current command value and the detected current value, and driving an orthogonal transformation means from the voltage command value. PWM signal generating means 10 for generating a signal to be transmitted, voltage phase calculating means 12 for calculating the phase of the pulsating voltage output from the smoothing means 3, and a frequency obtained by multiplying the number of pole pairs of the motor 5 and the number of rotations of the motor 5 by an integer. Voltage command compensation means 11 is provided that varies the amplitude / phase of the signal according to the detected current value, the motor phase, the current command value, the pulsating voltage phase, etc., and superimposes it on the voltage command value.
ここで、電圧指令補償手段11より出力される補償信号は、正弦波波形に限らず周期的な繰返し波形全般を含む。更に、前記電流検出手段6は、電動機5の相電流を直接電流センサなどで検出することに限らず、前記直交変換手段4の母線電流からの推定検出を含む。更に、前記平滑手段3は、共振周波数が交流電源周波数の40倍以上になるように設定された0.4μF以上で100μF以下の小容量のコンデンサと、該コンデンサへの突入充放電電流のピーク値を下げるための2mH以下の小容量のリアクタを有している。なお、前記平滑手段3を構成するリアクタは交流電源1と平滑手段3を構成するコンデンサの間に挿入するため、整流手段2の前後どちらでも構わない。
Here, the compensation signal output from the voltage command compensation means 11 is not limited to a sine wave waveform but includes all cyclic repetitive waveforms. Furthermore, the current detection means 6 is not limited to directly detecting the phase current of the electric motor 5 with a current sensor or the like, but includes estimation detection from the bus current of the orthogonal transform means 4. Further, the smoothing means 3 includes a capacitor having a small capacity of 0.4 μF or more and 100 μF or less set so that the resonance frequency is 40 times or more of the AC power supply frequency, and a peak value of the inrush charging / discharging current to the capacitor. It has a reactor with a small capacity of 2 mH or less for lowering. Since the reactor constituting the smoothing means 3 is inserted between the
以上のように構成されたインバータ装置について、以下にその動作、作用を説明する。 About the inverter apparatus comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.
まず、図2は本実施の形態における電圧指令補償手段11の前後における指令値の変化を示したものである。図2は、電圧指令演算手段11より出力される補償前の電圧指令値と、電圧指令補償手段11より出力される補償信号と、補償後にPWM信号発生手段10へ入力される電圧指令値を示す。 First, FIG. 2 shows changes in the command value before and after the voltage command compensation means 11 in the present embodiment. FIG. 2 shows the voltage command value before compensation output from the voltage command calculation means 11, the compensation signal output from the voltage command compensation means 11, and the voltage command value input to the PWM signal generation means 10 after compensation. .
上記のように、電圧指令演算手段9より出力される電圧指令値に、該電圧指令値の整数倍(5倍)の補償信号を重畳させた電圧指令値をPWM信号発生手段10へ入力することで、デッドタイムの影響により生じる電動機5の電流の歪みを抑制する。
As described above, a voltage command value obtained by superimposing a compensation signal that is an integral multiple (5 times) of the voltage command value on the voltage command value output from the voltage command calculation unit 9 is input to the PWM
次に、電圧指令補償手段11からの補償信号の振幅・位相について図3から図6を用いて説明する。ここでまず平滑手段3からの出力電圧の脈動について説明する。 Next, the amplitude and phase of the compensation signal from the voltage command compensation means 11 will be described with reference to FIGS. First, the pulsation of the output voltage from the smoothing means 3 will be described.
交流電源1に交流電源周波数50Hzの商用電源を用いた場合、平滑手段3を構成するリアクタとコンデンサの値は、その共振周波数fc=1/(2π×√(L1×C1))が交流電源周波数の40倍以上、すなわち2000Hz以上になるように設定する。このためリアクタンス値0.5mH、キャパシタンス値10μFのリアクタとコンデンサを用いることで、fc(=2250Hz)>40×交流電源周波数(50Hz)とする。
When a commercial power supply with an AC power supply frequency of 50 Hz is used as the
このように平滑手段3のコンデンサ容量を著しく小さくすることで、図3に示すように交流電源周波数の2倍周波で大きく脈動(リップル率80%以上)する。このように、平滑手段3からの出力電圧が大きく脈動する場合、電圧指令補償手段11からの補償信号は、脈動電圧位相により位相・振幅を調整する。ここで図3は電圧指令補償手段11からの
補償信号1と、補償信号1と異なる位相の補償信号2、補償信号2と異なる振幅の補償信号3である。
Thus, by significantly reducing the capacitor capacity of the smoothing means 3, as shown in FIG. 3, it pulsates greatly (ripple ratio 80% or more) at twice the AC power supply frequency. Thus, when the output voltage from the smoothing means 3 pulsates greatly, the compensation signal from the voltage command compensation means 11 adjusts the phase and amplitude according to the pulsating voltage phase. 3 shows the
例えば、図3に示すように、電圧位相により1から3の区間に分け、区間1では補償信号3、区間2では補償信号2、区間3では補償信号1と各区間の状態に合わせて位相・振幅の異なる補償信号を電圧指令補償手段より出力し電圧指令値に重畳させることで電動機5の電流の歪みを効果的に抑制することが出来る。
For example, as shown in FIG. 3, the voltage phase is divided into 1 to 3 sections, the
次に電動機5の回転数による補償信号の振幅・位相調整について図4を用いて説明する。ここで図4は、電動機5の回転数、電圧指令補償手段11からの補償信号1、補償信号1と異なる位相の補償信号2である。例えば、図4に示すように電動機5の回転数が、状態1から状態2へ推移した場合、状態1では補償信号1、状態2では補償信号2と各回転数状態に合わせて位相のことなる補償信号を、電圧指令補償手段11より出力し電圧指令値に重畳させることで電動機5の電流の歪みを効果的に抑制することが出来る。
Next, the amplitude / phase adjustment of the compensation signal according to the rotation speed of the electric motor 5 will be described with reference to FIG. Here, FIG. 4 shows the rotation speed of the electric motor 5, the
次に電流指令値、電流検出値による補償信号の振幅・位相調整について図5を用いて説明する。ここで図5は、電流指令値あるいは電流検出値、電圧指令補償手段11からの補償信号1、補償信号1と異なる位相の補償信号2、補償信号2と異なる振幅の補償信号3である。例えば、図5に示すように、電流指令値が状態1から状態2へ推移した場合、状態1では補償信号1、状態2では補償信号3と各電流指令値あるいは電流検出値に合わせて振幅・位相の異なる補償信号を電圧指令補償手段より出力し電圧指令値に重畳させることで、電動機5の電流の歪みを効果的に抑制することが出来る。
Next, the amplitude / phase adjustment of the compensation signal based on the current command value and the current detection value will be described with reference to FIG. Here, FIG. 5 shows a current command value or a current detection value, a
以上のように本実施の形態においては平滑手段3から出力される脈動電圧位相、電動機回転数、電流指令値、電流検出値により振幅・位相を調整した補償信号を電圧指令値へ重畳させる電圧指令補償手段11を備えることにより、平滑手段3からの出力電圧が交流電源周波数の2倍周波で大きく脈動するようなインバータ装置において、電動機の電流の歪みを抑止した駆動を実現させることが出来る。 As described above, in the present embodiment, the voltage command for superimposing the compensation signal whose amplitude and phase are adjusted by the pulsating voltage phase, the motor rotation speed, the current command value, and the current detection value output from the smoothing means 3 on the voltage command value. By providing the compensation means 11, it is possible to realize driving in which the current distortion of the motor is suppressed in the inverter device in which the output voltage from the smoothing means 3 pulsates greatly at twice the frequency of the AC power supply frequency.
以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、電動機電流の歪みを抑制し、装置の低コスト化・小型化が可能であるため、装置の低コスト化・小型化が求められる電動機を有するあらゆるインバータ装置に適用できる。 As described above, the inverter device according to the present invention suppresses the distortion of the motor current, and can reduce the cost and size of the device. Therefore, the inverter device according to the present invention has all types of motors that are required to reduce the cost and size of the device. Applicable to inverter device.
1 交流電源
2 整流手段
3 平滑手段
4 直交変換手段
5 電動機
6 電流検出手段
7 位相演算手段
8 電流指令演算手段
9 電圧指令演算手段
10 PWM信号発生手段
11 電圧指令補償手段
12 電圧位相演算手段
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